CN102288856B - 基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备和方法，由温度传感器、太阳辐照计、电压传感器、CPU主板、无线信号发送器和故障显示器等构成，CPU主板由无线信号接收器、辐射量转换器、功率比较器、电流比较器、温度转换器、故障判别器、寄存器和故障处理器等组成。温度传感器、太阳辐射计和电流传感器阵列采集环境温度、单位面积太阳辐射通量和光伏阵列各组串电流，通过无线通讯将数值传递到寄存器内，将数值分别传递给辐射量功率转换器、温度转换器、电流比较器和加法器，得到理论上的阵列输出功率、实际阵列输出功率、总电流和存在差异性的组串电流，把结果输到功率比较器、故障判别器、故障处理器中，得到当前故障状态和故障所在组串，将结果输到故障显示器中。本发明通过利用多种参数耦合来验证故障可能性，有效减少误报率；同时对故障进行定位，加快光伏极板故障处理速度。
Description
技术领域
本发明属于光伏阵列的故障检测领域，具体涉及一种基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备和方法。
背景技术
大规模的光伏电站是目前光伏发电站建设的重要形式，。大型光伏电站的选址一般阳光资源充足且地广人稀，所使用的光伏组件数以万计，出现故障的概率很大，如果不及时发现潜在的隐患，并作相应的处理，有可能发生严重的事故及危害，影响光伏电站整体发电效能。
光伏极板是整个光伏发电系统的供给源，目前常见的故障形式有：热斑效应、旁路二极管损坏、反向二极管击穿、线路断路、短路等故障。如果能够对光伏极板的工作状态进行专门监测，特别是采用算法和硬件相结合的低成本、高可靠的检测方法，可以大幅度提高光伏电站的整体可靠性。
目前常见的检测方式有人工法和电路法。人工法是安排专人巡视光伏极板，目测有无问题的产生。该方法人力成本较大，对处于偏远地区的大型光伏电站来说不具备可行性，且无法在故障发生的初期就发现。而一般的电路法检测系统只是通过在集线盒端口比较几根光伏串列输出线的电流值来判断是否出现故障及出现故障的极板所在组串，这种方式在云层移动速度较快的时候误报概率大。这对快速准确地排除故障的要求产生一定的阻碍，要精确定位更要增加传感器的数量，成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有以人工方式和电路方式检测光伏极板故障危害的系统的不足，提供一种结构简单、便于通讯、使用灵活方便、误报率小且特别适合于大型光伏电站的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备和算法。
本发明提出的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，由温度传感器1、太阳辐照计2、电压传感器3、电流传感器阵列4、CPU主板5、无线信号发送器6和故障显示器7构成。其中，CPU主板5由无线信号接收器8、乘法器9、加法器10、辐射量转换器11、功率比较器12、电流比较器13、温度转换器14、故障判别器15、寄存器16和故障处理器17组成；温度传感器1、太阳辐射计2和电流传感器阵列4的输出端分别连接无线信号发送器6的输入端，无线信号发送器6的输出端与无线信号接收器8连接，无线信号接收器8的输出端连接寄存器16输入端，寄存器16输出端分别连接辐射量功率转换器11、温度转换器14、电流比较器13和加法器10，加法器10和电压传感器3的输出端分别连接乘法器9输入端，辐射量功率转换器11、温度转换器14和乘法器9的输出端分别连接功率比较器12，辐射量功率转换器11、温度转换器14、比较器12和乘法器9的输出端分别连接故障判别器15，故障判别器15和电流比较器13的输出端分别连接故障处理器17输入端，故障处理器17输出端连接故障显示器7。
本发明中，电流传感器阵列4是由每个光伏组串输出电流的传感器组成的阵列。
本发明中，无线信号发送器6的电源引自光伏阵列，在光伏阵列停止工作时无线模块也停止工作。
本发明中，CPU主板5采用具有12位A/D采样精度的芯片，如TMS320LF2407等。
本发明中，温度传感器1置于光伏阵列中间。
本发明中，所述太阳辐射计2采集垂直于光伏阵列斜面的单位面积辐射通量。
本发明提出的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测的方法，具体步骤如下：温度传感器1的温度采样值、太阳辐射计2的日辐射通量采样值与电流传感器阵列4中每个组串的输出电流值通过无线信号发送器6发送到CPU主板5的无线信号接收器8中，将数值寄存到寄存器16中；寄存器16中的辐射通量值传送到CPU主板5的辐射量功率转换器11。寄存器16中的各组串电流值经过加法器10计算的结果与电压传感器3采样的电压值同时输给乘法器9。寄存器16中的温度值传递给温度转换器14。辐射量功率转换器11、温度转换器14与乘法器9的输出值同时传递给功率比较器12；乘法器9、辐射量功率转换器11、温度转换器14、加法器10和功率比较器12的输出值同时传递给故障判别器15；故障判别器15通过温度值和单位面积辐射通量来设立故障状态表，确定参数范围，通过对瞬时值与故障状态表中上下限值进行计算，得到故障在各个故障状态区间的概率，然后选取最大值所在状态作为当前故障状态；寄存器16中的电流值传递到电流比较器13；故障判别器15、电流比较器13将结果输到故障处理器17中去；故障处理器17将结果发送到故障显示器7。
本发明中，根据温度值和单位面积辐射通量值设立故障状态表的方式如下：
首先在初期选取所测光伏电站对应的标准样板，分别测量在不同的单位面积辐射通量和温度下的最大功率点输出功率和输出电流，列出对应的查表；然后根据温度转换器14和辐射量功率转换器11所输出的温度值和单位面积辐射通量值在表中找到当前所处的理论上最大功率点输出功率P和输出电流I；然后建立故障状态区间，对每个区间设立不同故障概率。
设j区间的故障概率为ηj，令aj=I×(1-ηj-10%)作为电流范围的下限，bj=aj+1+1，其中j+1为相邻下一故障状态,b1=I；同时，令dj=P×(1-1.5ηj+0.5ηj 2)×98%作为功率范围的上限，其中故障概率的2次式是由历史实验数据拟合得来，98%设为光伏阵列输入输出效率，cj=dj+1-100为功率范围下限；根据这个可以得到故障状态表，分别对应在不同故障状态（即不同故障概率）下的理论输出功率和输出电流的范围，然后通过当前瞬时功率与各个故障状态中上下限值的有效计算，分别得到输出功率和输出电流在各个不同故障状态的概率，通过加权得到整体概率，归一化之后选取最大值所在故障状态区间即可。
本发明方案提出的一种无线通讯的光伏极板故障危害检测设备，通过对太阳辐射量、环境温度等多个参数进行收集，确立了故障状态对应表，获得当前功率和电流理论值范围，并结合电路上的电气参数（如电流、电压）与实际参数进行比较得出结论，实际结果与现有技术相比，能显著地减轻误报的概率，准确定位光伏极板的故障组串，加快维修人员排除故障危害的速度。
本发明基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备与现有技术相比具有以下优点：
1.判断变量包括功率和电流，采用本发明提出的模糊逻辑算法和故障阈值判断是否进行判断，同时结合多种参数进行比较，综合验证故障可能性，因此对光伏极板故障危害出现的误报率较低。
2.通过无线通讯，消除额外的通讯线缆，降低设计成本，特别适合于光伏电站中光伏极板的检测，且对于不同功率等级的光伏电站，可灵活增加传感器而不需要改动硬件结构。
3.能够准确定位光伏阵列中出现故障的组串，且能够预估故障光伏极板总个数，方便维修人员在维修时做到准确迅速。
附图说明
图1是本发明基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备的结构图。
图2是CPU主板5的工作原理示意图。
图3是故障判别器15的判断原理示意图。
图4是故障处理器17的工作原理示意图。
图5是故障显示器7的表面显示图。
图中标号：1为温度传感器，2为太阳辐照计，3为电压传感器，4为电流传感器阵列，5为CPU主板，6为无线信号发送器，7为故障显示器，8为无线信号接收器，9为乘法器，10为加法器，11为辐射量转换器，12为功率比较器，13为电流比较器，14为温度转换器，15为故障判别器，16为寄存器，17为故障处理器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，参见图1、图2、图3、图4、图5。本设备由温度传感器1、太阳辐照计2、电压传感器3、电流传感器阵列4、CPU主板5、无线信号发送器6和故障显示器7组成，其中：
温度传感器1、太阳辐射计2和电流传感器阵列4向无线信号发送器6发生采样值，无线信号发送器6将数值传递给CPU主板5中的无线信号接收器8，无线信号接收器8将接收数据存入寄存器16，寄存器16将数值分别发送给辐射量功率转换器11、温度转换器14、加法器10和组串电流比较器13，电压传感器3的电压值和加法器10的电流值在乘法器9中相乘得到功率值，辐射量功率转换器11、温度转换器14结合得到的理论功率值和乘法器9中的瞬时功率值在功率比较器12中进行比较，同时辐射量功率转换器11、温度转换器14的理论功率值、乘法器9的瞬时功率值、功率比较器12的比较结果、加法器10的光伏阵列电流值都传递给故障判别器15，故障判别器15将故障在各区间所处概率传递给故障处理器17，同时结合组串电流比较器13的结果，判断出故障极板的数目概率以及所在组串，故障处理器17与故障显示器7链接，将结果进行输出。
在整个过程中，如图1，温度传感器1采集环境温度，太阳辐射计2采集垂直于光伏组件斜面的太阳单位面积辐射通量，每个组串的输出电流传感器组合成电流传感器阵列4。将这三个输出值传递给无线信号发送器6，通过无线通讯方式，发送给CPU主板5中的无线信号接收器8，然后储存在寄存器16中。
如图2，将存储的单位面积辐射通量值输给辐射量功率转化器11，将温度值输给温度转换器14。将电流传感器阵列4的电流值阵列传给加法器10，得到整个光伏阵列的电流值。电压传感器采样得到的电压值与加法器得到的电流值传递给乘法器9，便得到整个光伏阵列的瞬时功率值。与辐射量值、温度值一起传给功率比较器12，便得到当前瞬时功率与理论功率的比较结果。将光伏阵列的电压值、电流值、功率比较结果、环境温度转换值以及辐射量转换值都发送到故障判别器15中。
如图3，通过环境温度转换值和辐射量转换值，建立故障树。现设立6种故障状态（故障状态可增加，故障状态越多，表示判断结果越精确，对应一般的光伏电站使用6种可满足要求）：分别对于无故障状态F（区间1），有10%组件发生故障的状态E（区间2）,有20%组件发生故障的状态D（区间3），有30%组件发生故障的状态C（区间4）, 有40%组件发生故障的状态B（区间5）, 有50%组件发生故障的状态A（区间6）。同时根据温度和辐射量针对当前理论最大功率和最高电流，进行电流和功率的区域划分。其中相邻两种状态区间的范围有小部分重合，例如A区间的电流最大值略高于B区间的电流最小值；C区间的功率最小值略低于B区间的功率最大值等。
然后，建立故障种类模型。以一个3kW功率等级，额定电压为68V，额定电流为44A的光伏阵列为例，在单位面积辐射通量为1000W/m2和温度为25℃的情况下可以得到以下的故障状态表。
表1 功率和电流的故障状态表
根据当前瞬时功率和瞬时总电流，通过以下算式来计算其在各个区域的概率：
其中j=1,2,3……,6;k=1,2(对应P,I), 为当前瞬时值（包括功率和电流），
和
为故障状态j的瞬时值范围，其中
是所在的状态范围。
根据当前瞬时电流和瞬时功率为所在区间的概率
，乘以电流和功率的权重
，可以计算出工作状态在每一个区间的概率
，然后通过归一化来得到目前所处的状态，确定故障组件的数目。
同时通过（图2所示）的组串电流比较器13，来比较得到当前电流具有明显差异的组串，从而判断出光伏组件故障所在的组串，然后传递给故障处理器17，由故障处理器17将信号发送给故障显示器7上，显示出来，如图4所示。
如图5，故障显示器7采用LED指示灯显示目前光伏组件故障占阵列数的百分比以及故障发生的组串。
Claims (8)
1.基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，由温度传感器(1)、太阳辐射计(2)、电压传感器(3)、电流传感器阵列(4)、CPU主板(5)、无线信号发送器(6)和故障显示器(7)构成，CPU主板(5)由无线信号接收器(8)、乘法器(9)、加法器(10)、辐射量功率转换器(11)、功率比较器(12)、电流比较器(13)、温度转换器(14)、故障判别器(15)、寄存器(16)和故障处理器(17)组成；其特征在于温度传感器(1)、太阳辐射计(2)和电流传感器阵列(4)的输出端分别连接无线信号发送器(6)的输入端，无线信号发送器(6)的输出端与无线信号接收器(8)连接，无线信号接收器(8)的输出端连接寄存器(16)输入端，寄存器(16)输出端分别连接辐射量功率转换器(11)、温度转换器(14)、电流比较器(13)和加法器(10)，加法器(10)和电压传感器(3)的输出端分别连接乘法器(9)输入端，辐射量功率转换器(11)、温度转换器(14)和乘法器(9)的输出端分别连接功率比较器(12)，辐射量功率转换器(11)、温度转换器(14)、比较器(12)和乘法器(9)的输出端分别连接故障判别器(15)，故障判别器(15)和电流比较器(13)的输出端分别连接故障处理器(17)输入端，故障处理器(17)输出端连接故障显示器(7)。
2.根据权利要求1所述的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，其特征在于电流传感器阵列(4)是由每个光伏组串输出电流的传感器组成的阵列，传感器为霍尔传感器。
3.根据权利要求1所述的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，其特征在于无线信号发送器(6)和无线信号接收器(8)均采用无线模块，时刻发送数据，电源引自光伏阵列，在光伏阵列停止工作时无线模块也停止工作。
4.根据权利要求1所述的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，其特征在于CPU主板(5)采用具有12位A/D采样精度的微控制器芯片。
5.根据权利要求1所述的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，其特征在于温度传感器(1)置于光伏阵列中间。
6.根据权利要求1所述的基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测设备，其特征在于所述太阳辐射计(2)采集垂直于光伏阵列斜面的单位面积辐射通量。
7.一种基于无线方式通讯的光伏极板故障危害检测的方法，其特征在于具体步骤如下：温度传感器(1)的温度采样值、太阳辐射计(2)的垂直于光伏阵列斜面的单位面积辐射通量值与电流传感器阵列(4)中各组串电流值通过无线信号发送器(6)发送到CPU主板(5)的无线信号接收器(8)中，将上述数值一并寄存到寄存器(16)中；寄存器(16)中的所述辐射通量值传送到CPU主板(5)的辐射量功率转换器(11)；寄存器(16)中的所述电流值经过加法器(10)计算的结果与电压传感器(3)采样的电压值同时输给乘法器(9)；寄存器(16)中的温度采样值传递给温度转换器(14)；辐射量功率转换器(11)、温度转换器(14)与乘法器(9)的输出值同时传递给功率比较器(12)；乘法器(9)、辐射量功率转换器(11)、温度转换器(14)、加法器(10)和功率比较器(12)的输出值同时传递给故障判别器(15)；故障判别器(15)通过温度采样值和所述辐射通量值来设立故障状态表，确定参数范围，通过对电流瞬时值及功率瞬时值与故障状态表中上下限值进行计算，得到故障在各个故障状态区间的概率，然后选取概率最大值所在状态作为当前故障状态；寄存器(16)中的各组串电流值传递到电流比较器(13)；故障判别器(15)、电流比较器(13)将结果输到故障处理器(17)中去；故障处理器(17)将结果发送到故障显示器(7)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于根据温度采样值和垂直于光伏阵列斜面的单位面积辐射通量值设立故障状态表的方式如下：首先在初期选取所测光伏电站对应的标准样板，分别测量在不同的垂直于光伏阵列斜面的单位面积辐射通量和温度下的最大功率点输出功率和输出电流，列出对应的查表；然后根据温度转换器(14)和辐射量功率转换器(11)所输出的温度采样值和单位面积辐射通量值在表中找到当前所处的理论上最大功率点输出功率P和输出电流I；然后建立故障状态区间，对每个区间设立不同故障概率；
设j区间的故障概率为ηj，令aj=I×(1-ηj-10%)作为电流范围的下限，bj=aj+1+1，其中j+1为相邻下一故障状态,b1=I；同时，令dj=P×(1-1.5ηj+0.5ηj 2)×98%作为功率范围的上限，其中故障概率的2次式是由历史实验数据拟合得来，98%设为光伏阵列输入输出效率，cj=dj+1-100为功率范围下限；根据这个可以得到故障状态表，分别对应在不同故障状态下的理论输出功率和输出电流的范围，然后通过当前瞬时功率与各个故障状态中上下限值的有效计算，分别得到输出功率和输出电流在各个不同故障状态的概率，通过加权得到整体概率，归一化之后选取概率最大值所在故障状态区间即可。
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